偏置磁場(chǎng)對(duì)超磁致伸縮致動(dòng)器輸出特性的影響分析*

晉宏炎,鞠曉君,辛 濤,王美春,祝貞鳳

(煙臺(tái)南山學(xué)院航空學(xué)院,山東 煙臺(tái) 265713)

偏置磁場(chǎng)對(duì)超磁致伸縮致動(dòng)器輸出特性的影響分析*

晉宏炎,鞠曉君*,辛 濤,王美春,祝貞鳳

(煙臺(tái)南山學(xué)院航空學(xué)院,山東 煙臺(tái) 265713)

采用Terfenol-D棒作為超磁致伸縮致動(dòng)器GMA(Giant Magnetostrictive Actuator)的主要材料,研制了有偏置磁場(chǎng)和無(wú)偏置磁場(chǎng)兩種超磁致伸縮致動(dòng)器,分析了具有分段式永磁偏置和無(wú)偏置致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)及性能?；诎才喽?、磁路基爾霍夫定律、疊加原理對(duì)致動(dòng)器的磁場(chǎng)進(jìn)行理論分析。為進(jìn)一步分析磁場(chǎng)分布,創(chuàng)建三維模型,利用有限元仿真軟件對(duì)GMA內(nèi)部磁場(chǎng)進(jìn)行分析和比較,仿真結(jié)果表明:分段式永磁偏置結(jié)構(gòu)致動(dòng)器能夠達(dá)到理想的偏置要求,無(wú)磁場(chǎng)偏置的致動(dòng)器在電流作用下磁場(chǎng)分布更均勻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:超磁致伸縮致動(dòng)器輸出位移和力的大小分別與Terfenol-D棒長(zhǎng)度、直徑呈正相關(guān),施加偏置磁場(chǎng)能夠改善超磁致伸縮致動(dòng)器的動(dòng)靜態(tài)輸出特性,提高致動(dòng)器靜態(tài)輸出位移和力的線性度,消除動(dòng)態(tài)輸出位移與輸出力的倍頻現(xiàn)象,提高其輸出精度。

超磁致伸縮致動(dòng)器;偏置磁場(chǎng);靜態(tài)特性;動(dòng)態(tài)特性

Terfenol-D棒是一種典型的超磁致伸縮材料,在外加磁場(chǎng)作用下能夠產(chǎn)生大的磁致伸縮變形,其磁致伸縮系數(shù)大于1 000×10-6,應(yīng)力值為300 kg/cm2,機(jī)電耦合系數(shù)大于0.65,響應(yīng)速度小于1 μs,能量密度大于14 kJ/m3。因此,該材料具有響應(yīng)速度快、輸出的力和位移大、機(jī)電耦合系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)[1]。由Terfenol-D棒制成的微致動(dòng)器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、輸出力大、位移分辨率高等特點(diǎn)在超精密定位、超精密加工、智能結(jié)構(gòu)、主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景[2-4]。

Terfenol-D棒的磁致伸縮性能取決于驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)特性。Terfenol-D棒內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度及其均勻性直接影響超磁致伸縮致動(dòng)器GMA(Giant Magnetostrictive Actuator)的輸出位移和輸出力[5-6],分析GMA磁場(chǎng)分布對(duì)研究其工作特性及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。孫英等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了GMA在不同磁場(chǎng)作用下頻率域的輸入輸出特性。王傳禮等[8]采用磁路分析的方法計(jì)算超磁致伸縮轉(zhuǎn)換器內(nèi)部磁場(chǎng)的大小,并分析了輸出位移、輸出力與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系。劉德輝等[9]利用有限元軟件分析了GMA的磁場(chǎng)分布,對(duì)GMA的輸出位移特性進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究。NOH等[10]采用回路中“電壓”與“電流”定律分析研究了不同偏置方式下磁致伸縮致動(dòng)器的內(nèi)部磁場(chǎng)分布。喻曹豐等[11-12]建立了GMA的磁滯非線性模型,利用有限元分析與數(shù)值模擬的方法研究磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁致伸縮應(yīng)變之間的關(guān)系,通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的工作特性。本文對(duì)有偏置磁場(chǎng)和無(wú)偏置磁場(chǎng)兩種情況下超磁致伸縮致動(dòng)器的輸出特性進(jìn)行了理論分析,利用有限元分析軟件對(duì)兩種情況下的磁場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真,通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了兩種GMA輸出位移和力的動(dòng)靜態(tài)結(jié)果,并將之進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1 倍頻和同頻現(xiàn)象

1 GMA工作原理與結(jié)構(gòu)

Terfenol-D棒在驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生變形,輸出應(yīng)變和應(yīng)力,實(shí)現(xiàn)了電磁能與機(jī)械能之間的耦合轉(zhuǎn)換。在溫度變化不大的情況下,GMA內(nèi)部應(yīng)變?chǔ)?、?yīng)力σ、磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間的關(guān)系可由線性壓磁方程表示[13],如式(1),其中,d、EH、μσ為壓磁系數(shù)、彈性模量、軸向磁導(dǎo)率。由式(1)可知Terfenol-D棒輸出的應(yīng)變和應(yīng)力與磁場(chǎng)強(qiáng)度H、磁感應(yīng)強(qiáng)度B密切相關(guān),也就是GMA輸出的位移和力可以由產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的激勵(lì)電流控制。

(1)

因Terfenol-D棒在正向和反向磁場(chǎng)的作用下都處于伸長(zhǎng)狀態(tài),故在交流激勵(lì)作用下其產(chǎn)生的應(yīng)變或應(yīng)力出現(xiàn)倍頻效應(yīng),如圖1所示[14]。倍頻效應(yīng)可以通過(guò)預(yù)先施加一個(gè)恒定的偏置磁場(chǎng)消除,這樣可以提高GMA輸出的線性特性,便于實(shí)現(xiàn)控制。

選用Φ10 mm×120 mm和Φ20 mm×200 mm兩種規(guī)格的Terfenol-D棒設(shè)計(jì)了帶有永磁偏置和不帶偏置磁場(chǎng)的兩個(gè)GMA,結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.輸出桿;2.預(yù)緊螺母;3.外殼;4.蝶型彈簧;5.限位筒;6.磁軛;7.驅(qū)動(dòng)線圈;8.Terfenol-D棒;9.線圈骨架;10.底座;11.永磁體圖2 GMA結(jié)構(gòu)示意圖

圖2(a)為帶有永磁偏置磁場(chǎng)的GMA(以下簡(jiǎn)稱1號(hào)GMA),致動(dòng)器通過(guò)多層圓片式永磁體施加偏置磁場(chǎng),改變驅(qū)動(dòng)線圈中的電流,GMA內(nèi)部磁場(chǎng)發(fā)生變化,永磁偏置與電磁偏置共同作用使Terfenol-D棒發(fā)生磁致伸縮變形。圖2(b)為不帶永磁偏置的GMA(以下簡(jiǎn)稱2號(hào)GMA),致動(dòng)器內(nèi)部磁場(chǎng)僅由線圈中的驅(qū)動(dòng)電流決定,其偏置方式為電磁偏置。以上兩種結(jié)構(gòu)都可通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)線圈中的電流大小改變GMA的輸出位移和輸出力。預(yù)緊螺母和蝶型彈簧為Terfenol-D棒提供一定的預(yù)壓力,提高GMA的輸出性能。磁軛與Terfenol-D棒組成閉合磁路,以減少驅(qū)動(dòng)線圈工作時(shí)的磁泄露。表1分別列出了兩個(gè)致動(dòng)器的主要參數(shù),對(duì)1號(hào)GMA而言,Terfenol-D棒長(zhǎng)度是指各段長(zhǎng)度的總和。

表1 GMA的主要參數(shù)

2 GMA磁場(chǎng)分析與仿真

GMA工作時(shí)的磁場(chǎng)主要由外加磁場(chǎng)He、外部磁場(chǎng)使Terfenol-D棒磁化產(chǎn)生的分子磁場(chǎng)HM及預(yù)壓力產(chǎn)生的磁場(chǎng)Hσ三部分組成。其中1號(hào)GMA的He包括圓柱形永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)Hb和線圈產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)Hd,2號(hào)GMA的He包含線圈產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)Hd。

對(duì)1號(hào)GMA,圓柱形永磁體在Terfenol-D棒上產(chǎn)生的磁場(chǎng)可參考文獻(xiàn)[15]中回路分析的方法計(jì)算。將兩端帶有永磁體偏置的Terfenol-D棒作為一個(gè)單元,Terfenol-D棒平均分為三段組成3個(gè)磁回路,兩端回路由永磁體和相鄰的Terfenol-D棒組成,中間回路由Terfenol-D棒的中間部分組成,如圖3所示。

圖3 帶永磁體偏置的Terfenol-D棒結(jié)構(gòu)

磁路模型如圖4所示,其中,FM為永磁體的磁動(dòng)勢(shì),RPM為永磁體的磁阻,RT為分段后Terfenol-D棒的磁阻,RL、RW分別為空氣和導(dǎo)磁壁的磁阻,Ф1、Ф2、Ф3分別表示3個(gè)回路中的磁通。

圖4 帶永磁體偏置的Terfenol-D棒磁路模型

基于安培定律、磁路基爾霍夫定律,根據(jù)網(wǎng)孔分析法可得式(2)。

(RPM+RT)φ1+RL(φ1-φ2)+RWφ1+RLφ1=FM

RTφ2+RL(φ2-φ3)+RWφ2+RL(φ2-φ1)=0

(RPM+RT)φ3+RLφ3+RWφ3+RL(φ3-φ2)=FM

(2)

解上式可得到通過(guò)Terfenol-D棒的磁通量Ф2。

(3)

通過(guò)Terfenol-D棒的磁動(dòng)勢(shì)FT可表示為式(4),其中LT為1/3的Terfenol-D棒長(zhǎng),Hb為永磁體在Terfenol-D棒上產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

FT=φ2RT=HbLT

(4)

永磁體的磁動(dòng)勢(shì)FM可表示為式(5),其中LM為永磁體的長(zhǎng)度,HM為永磁體磁場(chǎng)大小。

FM=HMLM

(5)

由式(3)～式(5)求解得到永磁體在Terfenol-D棒上產(chǎn)生的偏置磁場(chǎng)Hb為

(6)

驅(qū)動(dòng)線圈軸線上的磁場(chǎng)可認(rèn)為多個(gè)單匝線圈磁場(chǎng)在軸線上的疊加值,表示為

(7)

式中:I為驅(qū)動(dòng)電流,n為軸向單位長(zhǎng)度上的線圈匝數(shù),n′為徑向單位長(zhǎng)度上的線圈層數(shù),ld為驅(qū)動(dòng)線圈長(zhǎng)度,Ri為驅(qū)動(dòng)線圈內(nèi)半徑,Re為驅(qū)動(dòng)線圈外半徑,z為驅(qū)動(dòng)線圈軸線上的點(diǎn)到中點(diǎn)的距離。

在線圈材料和結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)一定時(shí),

Hd=KdNI

(8)

式中:Kd為驅(qū)動(dòng)線圈磁場(chǎng)系數(shù)。

根據(jù)Weiss鐵磁理論,磁致伸縮材料在外磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的分子磁場(chǎng)HM可表示為:

HM=αM

(9)

式中:α為疇壁間相互作用系數(shù),M為材料的磁化強(qiáng)度。

根據(jù)Helmholtz自由能密度理論和二次疇轉(zhuǎn)模型可得預(yù)加應(yīng)力σ誘發(fā)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hσ為

(10)

式中:Ms為飽和磁化強(qiáng)度,λs為飽和磁滯伸縮系數(shù)。

由以上分析可得,1號(hào)GMA和2號(hào)GMA工作時(shí)內(nèi)部等效磁場(chǎng)H1、H2如式(11)所示。

(11)

為進(jìn)一步分析兩種結(jié)構(gòu)GMA的磁場(chǎng)分布情況,本文采用Ansoft Maxwell電磁場(chǎng)分析軟件對(duì)不同驅(qū)動(dòng)方式下的GMA進(jìn)行靜態(tài)電磁場(chǎng)仿真分析。忽略致動(dòng)器內(nèi)部對(duì)磁場(chǎng)影響較小的結(jié)構(gòu),包括輸出桿、碟簧、預(yù)緊螺母、外殼、限位筒及螺釘?shù)炔考?GMA內(nèi)部為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),兩致動(dòng)器磁路結(jié)構(gòu)的對(duì)稱部分如圖5所示。

靜態(tài)電磁場(chǎng)仿真時(shí),兩致動(dòng)器模型尺寸與實(shí)際尺寸按1∶1比例建模。由以上的分析可知,GMA的磁場(chǎng)大小與磁阻的大小密切相關(guān),而磁阻大小又取決于磁軛材料,分別選取不同的磁軛材料考察對(duì)兩種致動(dòng)器Terfenol-D棒中心線磁場(chǎng)分布的影響,兩致動(dòng)器線圈電流選為3A,仿真結(jié)果如表2所述。此處研究材料對(duì)磁場(chǎng)分布影響,1號(hào)GMA仿真時(shí)不加永磁偏置。結(jié)果表明,在相同的激勵(lì)電流作用下材料磁導(dǎo)率越大兩GMA內(nèi)部磁場(chǎng)最大,因此磁軛材料選擇磁導(dǎo)率較大的純鐵。

圖5 致動(dòng)器磁路結(jié)構(gòu)示意圖

材料1#GMA/(kA/m)平均值最大值最小值2#GMA/(kA/m)平均值最大值最小值純鐵29．942439．565827．519556．848078．640253．336845號(hào)鋼28．879136．084427．094653．956166．257151．895940Cr合金鋼28．258134．236226．831052．340559．707151．2193Cr16Ni6不銹鋼24．379425．205622．856843．729843．391733．0685鋁19．711823．32215．452335．947043．81759．1373

圖6 分段數(shù)對(duì)初始偏置磁場(chǎng)影響

根據(jù)文獻(xiàn)[10,15],永磁體材料的尺寸和分段單元數(shù)是影響GMA的初始偏置磁場(chǎng)的主要因素,預(yù)先選取永磁體總長(zhǎng)度為20 mm,永磁體分段數(shù)對(duì)1號(hào)GMA內(nèi)部偏置磁場(chǎng)大小和均勻度的影響規(guī)律如圖6所示。由圖6可得,初始偏置磁場(chǎng)大小隨分段數(shù)增多而變大,且均勻度變好,但分段數(shù)越多加工難度變大且整體剛度變差,改變永磁體尺寸經(jīng)過(guò)反復(fù)優(yōu)化,當(dāng)永磁體分段數(shù)為9,高度為1.5 mm時(shí),初始偏置磁場(chǎng)大小為40.21 kA/m,滿足偏置要求。

1號(hào)致動(dòng)器在永磁偏置和電磁偏置共同驅(qū)動(dòng)方式下工作,根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境將1、2號(hào)致動(dòng)器線圈工作電流設(shè)置為3A。為簡(jiǎn)化計(jì)算,其他邊界條件設(shè)置為默認(rèn)。因致動(dòng)器內(nèi)部磁場(chǎng)對(duì)稱分布,只取上半部分。仿真結(jié)果如圖7所示,其中,圖7(a)、圖7(b)為磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖,圖7(c)、圖7(d)為磁場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖。由圖可知,兩種結(jié)構(gòu)GMA中核心部件Terfenol-D棒的磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度分布較均勻,能夠滿足一般工作場(chǎng)合的要求。表3為兩種結(jié)構(gòu)致動(dòng)器磁場(chǎng)數(shù)值分布情況。仿真結(jié)果表明1號(hào)GMA永磁偏置磁場(chǎng)的強(qiáng)度在40 kA/m左右,滿足偏置要求,提高了GMA輸出的線性度,使其輸出能夠同頻跟蹤交流輸入信號(hào);2號(hào)致動(dòng)器磁場(chǎng)分布的均勻度相對(duì)1號(hào)致動(dòng)器較好。

表3 磁場(chǎng)數(shù)值分布對(duì)比

綜上分析可得,磁軛材料的磁導(dǎo)率影響GMA內(nèi)部磁場(chǎng)大小,磁導(dǎo)率越高,內(nèi)部磁場(chǎng)越大;1號(hào)致動(dòng)器通過(guò)永磁體提供偏置,防止倍頻效應(yīng)產(chǎn)生,GMA體積相對(duì)較小,永磁體分段數(shù)增加后偏置磁場(chǎng)大小和均勻度都會(huì)提高,但過(guò)多分段導(dǎo)致GMA的整體剛度降低,磁場(chǎng)分布均勻度降低,制作復(fù)雜;2號(hào)致動(dòng)器僅靠線圈提供驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,剛度高,磁場(chǎng)均勻度高,但若要消除倍頻同頻跟蹤交流信號(hào),需增加驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜度,且驅(qū)動(dòng)線圈體積大。

圖7 磁場(chǎng)分布云圖

3 實(shí)驗(yàn)研究

為進(jìn)一步研究GMA在不同預(yù)設(shè)條件下的輸出特性,對(duì)GMA的輸出位移、輸出力分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。致動(dòng)器采用國(guó)產(chǎn)Terfenol-D棒按照表1中參數(shù)自行研制,供電電源采用數(shù)控恒流源,輸出位移采用激光位移傳感器測(cè)量,靜態(tài)力測(cè)量采用應(yīng)變式力傳感器,動(dòng)態(tài)力測(cè)量采用壓電傳感器。

3.1 輸出位移特性

對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的超磁致伸縮致動(dòng)器分別進(jìn)行了靜態(tài)位移特性實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)位移特性實(shí)驗(yàn)。

靜態(tài)位移測(cè)量時(shí),數(shù)控恒流源的激勵(lì)電流在0～1 A與0～2 A之間以0.02 A的步長(zhǎng)變化。兩種結(jié)構(gòu)的GMA在0～1 A電流作用下輸出的位移數(shù)據(jù)分別采集50組,在0～2 A電流作用下輸出的位移采集100組,繪制電流-位移曲線,如圖8所示,其中下方曲線為電流上升過(guò)程,上方曲線為電流下降過(guò)程。圖8(a)為1號(hào)GMA的靜態(tài)位移輸出曲線,圖8(b)為2號(hào)GMA的靜態(tài)位移輸出曲線。

圖8 靜態(tài)位移輸出特性

從曲線上可以看出,兩種致動(dòng)器結(jié)構(gòu)在靜態(tài)激勵(lì)電流的作用下其輸出都具有磁滯非線性,且電流變化的范圍越大其磁滯非線性越明顯;帶有分段偏置磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)致動(dòng)器的位移輸出量與電流之間的線性度明顯優(yōu)于不帶偏置磁場(chǎng)的致動(dòng)器,且其磁滯非線性有較大改善。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:偏置磁場(chǎng)可以提高GMA位移輸出的線性度。

動(dòng)態(tài)位移測(cè)量時(shí),分別給1號(hào)GMA、2號(hào)GMA施加幅值為1.5 A,頻率為10 Hz的正弦交流信號(hào),分別測(cè)量了兩種結(jié)構(gòu)致動(dòng)器5個(gè)輸入信號(hào)周期的理論輸出和實(shí)際輸出,其動(dòng)態(tài)位移輸出結(jié)果如圖9所示,紅色虛線軌跡線為理論正弦輸入電流信號(hào)對(duì)應(yīng)的理論輸出,藍(lán)色實(shí)線軌跡線為實(shí)際測(cè)量獲得的動(dòng)態(tài)位移輸出;圖9(a)為帶有分段式偏置磁場(chǎng)致動(dòng)器的輸出特性,圖9(b)為不帶偏置磁場(chǎng)致動(dòng)器的輸出位移。從曲線上可以看出,兩種結(jié)構(gòu)致動(dòng)器的輸出位移都能夠快速跟蹤正弦交流輸入信號(hào),致動(dòng)器動(dòng)態(tài)性能較好;但是帶有偏置磁場(chǎng)致動(dòng)器的動(dòng)態(tài)位移輸出能夠同頻跟蹤輸入信號(hào),不帶偏置磁場(chǎng)致動(dòng)器輸出位移出現(xiàn)倍頻現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:偏置磁場(chǎng)能夠消除倍頻現(xiàn)象。

圖9 動(dòng)態(tài)位移輸出特性

上述實(shí)驗(yàn)表明:與無(wú)偏置磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)制動(dòng)器相比帶有分段偏置磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)致動(dòng)器其靜態(tài)位移的線性度得到了提高,磁滯非線性得到了改善;動(dòng)態(tài)位移的倍頻現(xiàn)象得到了消除。

3.2 輸出力特性

在現(xiàn)有文獻(xiàn)中,對(duì)致動(dòng)器輸出位移特性研究較多,對(duì)其輸出力特性研究相對(duì)較少。本文分別對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的超磁致伸縮致動(dòng)器輸出的靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力進(jìn)行了測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

靜態(tài)力的測(cè)量。本文中采用機(jī)械夾持設(shè)備給致動(dòng)器施加初始機(jī)械約束力,圖10(a)為1號(hào)致動(dòng)器在外部360 N機(jī)械約束力的作用下輸出力的特性曲線,測(cè)量時(shí)電流大小分別在0～3 A、0～6 A兩個(gè)范圍內(nèi)以0.02 A步長(zhǎng)循環(huán)變化;圖10(b)為2號(hào)致動(dòng)器在外部360 N機(jī)械約束力的作用下輸出力特性曲線,電流大小在0～1.5 A、0～3 A兩個(gè)范圍以0.02 A步長(zhǎng)循環(huán)變化;圖10(c)為兩種結(jié)構(gòu)致動(dòng)器在相同外部機(jī)械約束與電流變化作用下輸出力的對(duì)比曲線。圖10中下方曲線為電流上升過(guò)程,上方曲線為電流下降過(guò)程。

圖10 靜態(tài)力輸出特性

圖10表明兩種結(jié)構(gòu)致動(dòng)器輸出力的大小與驅(qū)動(dòng)電流之間呈正相關(guān),電流越大輸出力越大;輸出力與超磁致伸縮材料的直徑呈正相關(guān),直徑越大相同的電流變化范圍力的變化越大。同時(shí),從圖10(c)中兩種致動(dòng)器輸出力的對(duì)比結(jié)果可以看出,1號(hào)致動(dòng)器輸出力的線性誤差相對(duì)2號(hào)致動(dòng)器較小,偏置磁場(chǎng)可以提高輸出力特性曲線的線性度。另外,從圖8位移輸出特性與圖10力輸出特性曲線的比較可以看出,靜態(tài)輸出力相對(duì)靜態(tài)輸出位移變化要穩(wěn)定。

動(dòng)態(tài)力的測(cè)量。分別給兩種結(jié)構(gòu)的致動(dòng)器施加幅值為2 A,頻率為10 Hz的正弦交流激勵(lì),采用壓電傳感器測(cè)量致動(dòng)器的輸出力,其特性曲線如圖11所示,圖中紅色虛線為理想正弦交流參考線,藍(lán)色實(shí)線為測(cè)量的致動(dòng)器實(shí)際輸出力結(jié)果;圖11(a)、圖11(b)分別為1號(hào)GMA和2號(hào)GMA動(dòng)態(tài)輸出力特性曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,帶有偏置磁場(chǎng)GMA的動(dòng)態(tài)輸出力能夠同頻跟蹤正弦激勵(lì)電流,其快速性好,不帶偏置磁場(chǎng)的GMA的動(dòng)態(tài)輸出力出現(xiàn)倍頻現(xiàn)象;并且,輸出力變化與超磁致伸縮材料的直徑相關(guān)。

圖11 動(dòng)態(tài)力輸出特性

4 結(jié)論

本文對(duì)有分段式永磁偏置和無(wú)偏置磁場(chǎng)的超磁致伸縮致動(dòng)器的磁場(chǎng)進(jìn)行了理論分析與仿真,仿真結(jié)果表明具有分段式永磁體偏置GMA在40 kA/m左右,滿足偏置要求,提高了GMA輸出的線性度,但相對(duì)于無(wú)永磁偏置的致動(dòng)器結(jié)構(gòu)其磁場(chǎng)均勻度相對(duì)較差。在對(duì)兩種結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上,采用自行研制的超磁致伸縮致動(dòng)器分別進(jìn)行了位移與力的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)輸出實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩種結(jié)構(gòu)的GMA輸出位移與力都存在磁滯非線性,施加一定的偏置磁場(chǎng)能提高靜態(tài)輸出位移與輸出力的線性度,并能消除動(dòng)態(tài)輸出位移與輸出力的倍頻特性,提高致動(dòng)器輸出的精度,達(dá)到較好的輸出特性。

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EffectofBiasMagneticFieldonOutputCharacteristicsofGiantMagnetostrictiveActuator*

JINHongyan,JUXiaojun*,XINTao,WANGMeichun,ZHUZhenfeng

(Aeronautical College,Yantai Nanshan University,Yantai Shandong 265713,China)

Using the Terfenol-D rod as the main material,two kinds of giant magnetostrictive actuators(GMA)with a segmented bias magnetic field and anunbias magnetic field are developed. Then the structure and performance of the two actuators are analyzed.Based on Ampere’s law,Kirchhoff’s law of magnetic circuit and superposition principle,the magnetic field distribution of the actuator is analyzed theoretically. In order to further study the magnetic field distribution,a three-dimensional model is established and the finite element simulation software is employed to analyzethe internal magnetic field of the two structures. The simulation results show that the segmented permanent biasmagnetic structure can achieve the desired effect. Compared to GMA with segmented permanent magnet,the magnetic field distribution of actuator with unbias magnetic field is more uniform under the action of drive current.The experimental results show thatthe displacement and output force of GMA is positively correlated with the length and diameter of Terfenol-D rod. Under the action of bias magnetic field,the GMA has excellent linearity and no double-frequency effect,and the static and dynamic characteristics of GMA are improved.

giant magnetostrictive actuator(GMA);bias magnetic field;static characteristics;dynamic characteristics

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.12.014

項(xiàng)目來(lái)源:山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目(J17KB038);山東省高等學(xué)校青年骨干教師國(guó)內(nèi)訪問(wèn)學(xué)者項(xiàng)目

2017-06-14修改日期2017-07-29

TH703

A

1004-1699(2017)12-1862-07

晉宏炎(1981-),男,碩士,講師,主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)檢測(cè)技術(shù),jinhongyanjhy@sina.com;

鞠曉君(1981-),女,在讀博士,講師,主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化技術(shù),juxiaojun123@sina.com。